[發明專利]一種氧化物-硒化物異質結構材料的制備方法及其在鋰硫電池中的應用

在審

• 申請號: 202111526823.4
• 申請日: 2021-12-14
• 公開（公告）號: CN116264277A
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 李桂村;李元常;周震芳;張忠華;郭小松;毛常明;劉靜;趙云琰;巢昆;李鎮江
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/052;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 李穎

本發明屬于電化學儲能材料領域，具體涉及一種氧化物?硒化物異質結構材料的制備方法及其在鋰硫電池中的應用。通過水熱法用苯胺對金屬氧化物進行插層和聚合，形成具有高比表面積的納米花片狀結構聚苯胺?金屬氧化物復合材料，再通過前置硒源，利用化學氣相法對金屬氧化物進行原位硒化，形成氧化物?硒化物異質結。本發明所制備的氮硒摻雜碳@氧化物?硒化物異質結保留了前驅體聚苯胺?金屬氧化物的形貌，同時由于異質結的存在，在抑制多硫化鋰穿梭效應方面可以達到吸附?催化雙功能的效果。

技術領域

本發明屬于電化學儲能材料領域，具體涉及一種氧化物-硒化物異質結構材料的制備方法及其在鋰硫電池中的應用。

背景技術

隨著安全、低成本、環保的電化學儲能裝置的引入，鋰離子電池作為最好的商用二次電池系統，越來越多地應用于電動汽車和便攜式電子設備。作為鋰離子電池體系之一的鋰硫電池以其優異的理論比容量(1672mAh?g^-1)、理論能量密度(2600Wh?Kg^-1)和硫正極的地殼豐度高、環境友好等優點而得到了廣泛的研究。逐漸進入研究者的視野并得到了廣泛的研究。然而，鋰硫電池的開發和實際應用遇到了重大挑戰：首先，由于硫和硫化鋰固有的電絕緣，會影響電子傳遞，從而阻止活性材料得到充分利用。其次，在充放電過程中，反應物與產物之間存在著巨大的密度差異，這將導致電極嚴重收縮和膨脹，降低電池的循環耐久性和使用壽命。最后，多硫化物的穿梭效應會消耗活性物質，導致容量迅速下降，庫倫效率較差。

為了解決這些問題，人們對硫正極進行了大量的研究。為了提高導電性和應對硫單質在充放電過程中發生的體積膨脹，在硫正極中加入一些多孔的、管狀的、核殼狀的非活性物質(如碳)，作為支撐骨架和電子通道。同時，對抑制多硫化物穿梭效應的各種硫主體材料的探索和機理研究也從未停止過。根據作用力的不同，這些策略大致可以分為兩類：物理約束和化學吸附作用。物理約束策略通常在空間限制了聚硫主機結構特點的材料。一般來說，區域結構和大的比表面積和較低的密度,如多孔結構、核殼結構和分層結構引用，更有吸引力。但是碳基材料對多硫化鋰弱的親和力和吸附力決定了單純的碳材料不足以作為一個理想的固硫材料。因此，在應對多硫化鋰穿梭效應方面往往需要物理約束和化學作用相結合的雙重策略。

在抑制多硫化物穿梭效應的策略中，催化劑的作用愈發受到關注。催化劑對多硫化物的作用一般包括吸附作用和催化作用。其中，過渡金屬氧化物憑借著其對多硫化物的吸附作用成為了較為適合的選擇。同時，硒化物對多硫化物轉化動力學的推動作用也在諸多研究中得到了證實。但，雖然楊等人制備了WS2-WO3的異質結構，可其應用于鋰硫電池正極材料中(Adv.Energy?Mater.2020,2000091)；Kang等人報道了TiO2-TiN的異質結構，其結果顯示該異質結可提升鋰硫電池的容量和循環性能(Energy?Environ.Sci.,2019,12,3144--3155)。然而，目前并沒有研究者報道將氧化物和硒化物結合為異質結構并應用于鋰硫電池的研究。

發明內容

本發明目的在于一種氧化物-硒化物異質結構材料的制備方法及其在鋰硫電池中的應用。

為實現上述目的，本發明采用技術方案為：

一種氧化物-硒化物異質結構材料的制備方法，通過水熱法用苯胺對金屬氧化物進行插層和聚合，形成具有高比表面積的納米花片狀結構聚苯胺-金屬氧化物復合材料，再通過前置硒源，利用化學氣相法對金屬氧化物進行原位硒化，形成氧化物-硒化物異質結。

具體為：

(1)聚苯胺-金屬氧化物前驅體的制備：將苯胺分散在去離子水中，加入金屬氧化物；在經酸調節體系pH＝2-5，超聲后轉入水熱釜于120-180℃熱處理12-36h，而后洗滌、干燥得聚苯胺-金屬氧化物前驅體粉末；